基于漫反射模型的生物组织光学特性参量迭代反演

提出一种基于迭代反演的输运平均自由程估计及光源-检测器最小距离确定方法.该方法利用迭代估计思想,自适应地改变光源-检测器最小距离,提高光学特性参量的反演准确度.对29组仿真数据的研究结果表明:迭代反演对输运平均自由程初始值不敏感,具有较高的鲁棒性,可在一定程度上提高吸收系数和有效散射系数的反演准确度.在无噪声的条件下,吸收系数反演的平均相对误差为7.17%,有效散射系数反演的平均相对误差为5.73%,与传统方法给定的光源-检测器最小距离下反演的最佳结果相比,分别降低了1.73%和1.14%.在加入信噪比为40~80dB噪声的情况下,该方法仍然能获得较高的光学特性参量反演准确度,吸收系数误差的变动范围为8.46%~10.05%;有效散射系数误差的变动范围为6.79%~8.76%.     

散射相函数的高阶光学参量研究

漫反射光谱技术被广泛应用于无创测量生物组织光学性质。当光源与探测器很近时,仅仅依靠吸收系数μ_a和约化散射系数μ′_s不能准确描述光源附近光的传播状态。而二阶光学参量γ的引入改善了近光源光的传播状态的描述。本文将生物组织的散射等效成特定球形颗粒的散射,基于Mie散射理论,计算了与散射相函数p(θ)有关的单粒子和多分散系粒子的二阶光学参量γ,研究了γ随尺度参数α和相对折射率m的变化规律,描述了γ与组织结构参量之间的联系,并阐述了γ对粒子特征的表征能力。研究表明,参量γ对尺度参数α小于2的微粒尺寸的改变是敏感的,并呈二次函数关系,其系数与相对折射率呈线性关系;对于相对折射率和尺度参数都不相同的两个粒子,他们的各向异性因子g相同时,二阶光学参量γ却不同,粒子越大,γ表征粒子特征的能力越强。这对于无创探究组织微观形态具有深远的意义。     

生物组织的散射相函数及其二阶光学参量的性质

生物组织是一种复杂介质,在许多情况下仅仅用各向异性因子g来描述其散射特性是不够的。由于二阶参量γ是一个与相函数的二阶矩g2有关,并表示与一阶参量g1关系的量,因此用g和γ两个参量能更好地描述组织的光学性质。对几种目前用于描述人体组织的相函数及其二阶参量作了简要讨论,在此基础上研究了相函数的选取对测量参量γ的影响。研究表明γ是一个可测量的组织参量。研究工作对于建立含有相函数高阶矩的漫散射理论,对如何测量生物组织的高阶参量γ,并能够准确测量其它光学参量具有重要理论意义和实际府用价值。     

与散射相函数相关的光源附近微区漫反射

采用Monte Carlo法研究散射相函数对光源附近微区内的漫反射光的影响,分析一个半经验的漫反射解析模型与相函数相关的光学参量之间的关系.研究表明,来自光源附近微区的散射光对散射相函数的变化非常敏感,敏感程度随收集孔径φ的增大而逐渐减弱.当φ1.8mm时,散射相函数对漫反射率的影响不明显,反射率的相对变化小于1%;当φ1.8mm时,散射相函数对漫反射率的影响高达15.2%.用各向异性因子g和二阶光学参量γ表征单粒子散射特性时,散射特性的差异反应在三阶参量δ上.漫反射率随δ的增加而减小,并且δ对漫反射率的影响达到9%.     

基于矩变换的生物组织光学特性参量反演

针对漫射模型在近光源区具有较大模型误差,导致光学特性参量反演准确度较低的问题,提出了一种利用矩变换,改变原始数据形态,提高反演准确度的方法.比较了不同阶次条件下的光学特性参量反演准确度和拟合残差的统计分布状况,分析了不同信噪比下重构系数的相对误差.对25组数据的研究结果表明:3阶矩变换可显著提高两个光学参量(μa、μ′s)的估计准确度.在无噪音条件下,吸收系数μa重构的平均相对误差为7.04%;有效散射系数μ′s重构的平均相对误差为5.55%,相比于自然对数变换,μa降低了8.57%;μ′s降低了32.73%.在信号噪音满足一定条件情况下(大于50dB),3阶矩变换仍然能获得较高的光学参量反演准确度.矩变换方法能有效地提高光学特性参量反演估计准确度.     

生物组织的δ-P1近似漫反射光学模型

本文研究了生物组织的改进的δ-P₁近似漫反射光学模型,推导了含有等效光源一阶矩的双点源近似空间分辨漫反射解R_δ－P1(ρ).研究表明,考虑等效光源一阶矩的光学模型,较好地描述了具有强的前向散射特性和较大吸收系数的生物组织散射特性;与漫射近似下的漫反射率R_SDA(ρ)相比,新的光学模型能较好地描述光源附近的漫辐射强度分布,并且由于解析表达式中含有散射相函数的二阶参量γ,这对 关键词： 组织光学 1近似')" href="#">δ-P₁近似 等效光源 微区漫反射     

空间分辨漫反射的高阶参量灵敏度

光源附近的空间分辨漫反射与散射介质的高阶光学参量有关.为了研究高阶参量对漫反射的影响，定义了二阶参量灵敏度和三阶参量灵敏度，它们表示了由于高阶参量变化导致漫反射变化的相对量.从P₃近似理论出发，推导了二阶参量灵敏度和三阶参量灵敏度的解析表示，并进行了数值分析和比较.研究表明，在大于一个输运平均自由程的非漫射近似区域，反射率随二阶光学参量增加而增加，其灵敏度随着空间变化，并在小于两个输运平均自由程内出现极大值；相比之下，三阶光学参量对漫反射率的影响可以忽略. 关键词： 漫反射 3近似')" href="#">P₃近似 灵敏度     

利用空间分辨漫反射无损测量生物组织的光学参量

利用空间分辨漫反射光确定生物组织的光学参量进行了实验研究，分别用光纤探测器和CCD无损测量了半无限大生物组织(牛脂肪和牛肉)表面的漫反射光的径向分布．由漫射方程对漫反射光强的相对分布值作非线性拟合确定了生物组织的吸收系数和约化散射系数，所得结果与国外报道的绝对测量法测量的结果相比，其差别小于9．4％．研究结果表明，光纤测量和CCD测量有较好的一致性，而CCD探测具有测量准确、简单和快捷的特点。     

用双点源δ-P1近似光学模型反演生物组织的光学参量

根据空间分辨漫反射的双点源δ-P₁近似理论模型,采用非线性最小二乘法,从反射率的测量数据中反演得到了生物组织的吸收系数μ_a、有效散射系数μ' _s和二阶参量γ.研究表明,在光源与探测器之间距离大于一个输运平均自由程的情况下,双点源δ-P₁近似能较好地描述光源附近的光辐射分布,而且能够根据参量γ与μ' _s的关系得到组织的各向异性因子g.这些研究对于生物组织的光学性质测量以及漫反射光谱技术的应用具有重要意义. 关键词： 组织光学 P₁近似')" href="#">δ-P₁近似 光学参量 双点源     

用人工神经网络方法测量生物组织光学参数γ

提出了一种利用亚扩散空间分辨漫反射预测生物组织约化散射系数μ_s'和相函数参量γ的人工神经网络方法 .采用蒙特卡罗方法得到光子经生物组织漫反射的数据样本,利用这些数据样本训练反向传播神经网络,用于从亚扩散散射光中预测γ的信息.为了解决同时预测μ_s'和γ两个参数时会产生较大误差的问题,分段数据训练两个BP网络,依次识别μ_s'和γ.研究发现3.64l_(th)(l_(th)表示平均输运自由程)是对γ的不敏感点,可用该点附近的数据样本训练网络用于预测μ_s',用2l_(th)范围内的数据样本训练网络用于预测γ.蒙特卡罗仿真结果表明,在1.3≤γ≤1.9范围内,预测结果与真实值的相对均方根误差在1%以内.与现有的测量方法相比,所提的人工神经网络方法更加简单,且提高了预测精度.     

漫射近似在测量生物组织光学性质中的适用范围

漫射近似理论经常被用来作为测量生物组织光学特性参数实验和方法的理论基础,但是漫射近似理论只是一种对辐射传输理论的近似结果,在一定条件下有其特定的适用范围.为了确定漫射近似理论在活体非侵入式无损测量要求下的适用范围,本文采用Monte Carlo模拟校验的方法,对漫射近似理论和Monte Carlo模拟计算的结果进行了比较,给出了基于单散射反照率a和各向异性因子g的漫射近似理论适用范围数值标准.这一标准为漫射理论的应用提供了参考依据.     

基于delta-P1近似模型的空间分辨漫反射一阶散射参量灵敏度研究

以delta-P1近似光学模型为基础, 推导了双点源近似下空间分辨漫反射一阶散射参量μ_s'灵敏度的解析式, 并进行了数值分析和比较. 研究表明, 与混合漫射近似模型和漫射近似模型相比, delta-P1 近似模型能更好地描述强散射较强吸收情况下近光源区域生物组织漫反射光子的分布, 且在有效反照率a'>0.83时, 获得最佳优化距离ρ_opt, ρ_opt 随μ_s' 的增大而减小, 且在距光源约2.7—4个输运平均自由程处μ_s'的变化对测量吸收的影响最小. 这项研究对于优化传感器几何结构以及生物组织光学参量的测量具有重要意义.     

基于混合漫射近似的空间分辨漫反射光学参量灵敏度的研究

根据空间分辨漫反射的双点源混合漫射近似模型, 推导了空间分辨漫反射率对生物组织吸收系数μ_a和有效散射系数μ'_s灵敏度的解析表示, 系统研究了在强吸收条件近光源区域吸收系数μ_a和有效散射系数μ'_s对漫反射光子分布的影响. 研究表明: 吸收系数的灵敏度随光源与探测器间距ρ的增加呈线性增长, 其斜率正比于(μ'_s/μ_a)^1/4, 比例系数约为1.4, 同时获得一个优化的探测距离ρ_opt, 距离光源约3.4个输运平均自由程, 在这个距离处有效散射系数的变化对测量吸收的影响最小. 这项研究对于生物组织的光学性质测量以及漫反射光谱技术的应用具有重要意义.     

有限宽光束在生物组织中传输的蒙特卡罗方法

基于光在生物组织中的传输理论,研究有限宽光束在生物组织中的传输特性.利用入射光强与格林函数进行卷积计算,推导了有限宽光束在圆柱坐标系下的光传输过程,给出了有限宽光束的光传输方程.以高斯光源和平圆光源为例,进一步给出了两种光源的有限宽光束在生物组织中的光传输方程.介绍了Monte Carlo方法原理及模拟光在多层生物组织中的传输过程.给出了典型三层生物组织的散射系数、吸收系数和折射率等光学参数.利用Monte Carlo方法模拟了有限宽光束在三层生物组织中的传输特性,对比研究了高斯光源和平圆光源有限宽光束在三层生物组织传输时光学参数漫透射率、漫反射率和光能流率的变化规律.这些参数的变化规律可为光在生物组织传输的实际应用提供理论指导.     

聚焦光束在半无限大生物组织内传播的Monte Carlo模拟

分析了聚焦光束在介质中的传播情况,利用VC++语言编制了一套平圆光束聚焦在半无限大生物组织内传播的Monte Carlo模拟程序,对几种不同参数值的情况进行了模拟,通过对模拟结果的分析,得出了平圆光束聚焦在半无限大生物组织内传播的规律。     

Delta-P1近似漫反射光学模型的二阶参量灵敏度

基于Delta-P₁近似漫反射光学模型, 推导了双点源近似下空间分辨漫反射解对于Henyey-Greenstein散射相函数的二阶参量γ的灵敏度表达式, 研究了参量γ对漫反射分布的影响. 研究表明, 与漫射近似模型相比, Delta-P₁近似漫反射光学模型不仅含有散射相函数的二阶参量γ, 而且在弱吸收或强吸收的情况下, 参量γ对于光源附近(ρ<1.0 mm)的空间分辨漫反射都存在较大的影响(极值大于30%). 因此利用γ研究漫反射光分布对于获取组织光学信息具有重要的意义.     

面光源对人肺组织中光能分布的影响

用Monte Carlo方法仿真了两种面光源(高斯光束和圆平面光束)在人肺组织中的传播,讨论了不同面光源以及不同大小的光束入射到该组织时,其光能流率和漫反射强度的分布情况.结果表明激光光斑形状和大小的选择对激光的临床应用将有很大影响.     

Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的新进展

Monte Carlo方法已被广泛用于模拟复杂的随机介质如生物组织中光的辐射传输.在生物光子应用中,早期的Monte Carlo模拟模型忽略了光在组织中传输的波动性,而用中性粒子光子包来模拟其传播过程.然而,许多光学诊断技术是基于光在组织中的偏振效应和多重散射的相干性来揭示组织的生理和病理信息,这就要涉及光辐射的波动性.本文阐述了用Monte Carlo方法模拟光在生物组织中传播的最新进展.     

基于漫反射光谱的组织光学参数测量系统与方法研究

在体组织光学参数测量是生物医学光子学研究重点,不仅为人体成分无创检测、光学成像、光动力疗法等研究提供基础,并且可以快速获取人体光学参数变化,为临床诊断提供依据。研究了利用单一源探距离漫反射光谱在体测量光学参数的测量系统与反构方法。漫反射光谱测量系统由宽谱光源、高分辨光纤光谱仪及光纤探头组成,结构简单,测量方便,可准确快速测量样品漫反射光谱。在光纤探头几何形状基础上,研究了光纤收集及系统传递函数,在此基础上对反构算法进行了校正。光学参数反构算法中正向模型基于Monte Carlo以及神经网络方法,适用光学参数范围大,计算速度快;逆向算法采用主成分分析与非线性建模拟合相结合的方法,可抑制测量噪声影响。在测量系统及反构算法基础上,进行了组织仿体光学参数测量实验,结果表明,利用单一源探距离下漫反射谱,可以较为准确获取吸收系数以及约化散射系数,均方根误差分别达到4.58%以及7.92%。为保证系统测量准确性,测量波长范围应覆盖样品中所含吸收物质吸收峰范围。所研究的在体组织光学参数测量方法为人体成分无创检测及测量条件变化获取提供了基础。